Phantoms simulant un tissu pour l'évaluation du potentiel proche infrarouge Applications d'imagerie de fluorescence en chirurgie du cancer du sein
Summary
Near-infrared fluorescence (NIRF) imaging may improve therapeutic outcome of breast cancer surgery by enabling intraoperative tumor localization and evaluation of surgical margin status. Using tissue-simulating breast phantoms containing fluorescent tumor-simulating inclusions, potential clinical applications of NIRF imaging in breast cancer patients can be assessed for standardization and training purposes.
Abstract
Inexactitudes dans la localisation de la tumeur peropératoire et l'évaluation des résultats de la marge chirurgicale dans le résultat sous-optimal de la chirurgie mammaire conservatrice (CMC). L'imagerie optique, en particulier d'imagerie par fluorescence dans le proche infrarouge (NIRF), peut réduire la fréquence des marges chirurgicales positives suivant BCS en fournissant au chirurgien un outil de localisation de la tumeur avant et peropératoire en temps réel. Dans l'étude actuelle, le potentiel de BCS NIRF-guidée est évaluée en utilisant des fantômes de tissu mammaire simulant pour des raisons de fins de normalisation et de formation.
fantômes de sein avec des caractéristiques optiques comparables à celles du tissu mammaire normal ont été utilisés pour simuler la chirurgie mammaire conservatrice. Tumeur simulant inclusions contenant le colorant fluorescent vert d'indocyanine (ICG) ont été incorporés dans les fantômes à des endroits prédéfinis et imagé pour la localisation de la tumeur avant et peropératoire, la résection de la tumeur en temps réel NIRF-guidée, NIRF-guidéeévaluation de l'étendue de la chirurgie, et l'évaluation des marges chirurgicales post-opératoires. Une caméra NIRF mesure a été utilisée comme un prototype clinique à des fins d'imagerie.
fantômes mammaires contenant des inclusions de tumeurs simulation offrent un outil simple, peu coûteux et polyvalent pour simuler et évaluer l'imagerie peropératoire de la tumeur. Les fantômes gélatineux ont des propriétés élastiques semblables au tissu humain et peuvent être coupés à l'aide d'instruments chirurgicaux classiques. De plus, les fantômes et contiennent de l'hémoglobine pour l'intralipide imitant absorption et la diffusion de photons, respectivement, ce qui crée des propriétés optiques uniformes semblables à un tissu de sein humain. Le principal inconvénient de l'imagerie NIRF est la profondeur de pénétration limitée de photons lors de la propagation à travers le tissu, ce qui empêche (non invasif) imagerie de tumeurs profondes avec les stratégies épi-illumination.
Introduction
chirurgie mammaire conservatrice (BCS) suivie d'une radiothérapie est le traitement standard pour les patients atteints de cancer du sein avec T 1-T 2 carcinome du sein 1,2. Inexactitudes dans l'évaluation peropératoire de la mesure de résultat de la chirurgie des marges chirurgicales positives dans 20 à 40% des patients qui ont subi BCS, nécessitant une intervention chirurgicale supplémentaire ou une radiothérapie 3,4,5. Bien résection étendue des tissus sains adjacents du sein pourrait réduire la fréquence des marges chirurgicales positives, ce sera aussi entraver le résultat esthétique et augmenter comorbidité 6,7. De nouvelles techniques sont donc nécessaires que de fournir une rétroaction sur la position peropératoire de la tumeur primaire et l'étendue de la chirurgie. L'imagerie optique, en particulier la fluorescence dans le proche infrarouge (NIRF) d'imagerie, peut réduire la fréquence des marges chirurgicales positives suivantes BCS en fournissant au chirurgien un outil de localisation de la tumeur avant et en per-opératoire rEAL-temps. Récemment, notre groupe a rapporté sur le premier essai chez l'humain de l'imagerie de fluorescence de la tumeur ciblée chez les patients atteints de cancer de l'ovaire, montrant la faisabilité de cette technique pour détecter des tumeurs primaires et des métastases par voie intrapéritonéale avec une sensibilité élevée 8. Avant de procéder à des études cliniques chez des patients atteints de cancer du sein, toutefois, la possibilité d'NIRF différentes applications d'imagerie de tumeurs ciblées dans BCS peut déjà être évaluée en utilisant des fantômes préclinique.
Le protocole de recherche suivant décrit l'utilisation de l'imagerie NIRF dans des fantômes de simulation de tissus mammaires contenant des inclusions de tumeurs fluorescentes simulant 9. Les fantômes constituent un outil peu coûteux et polyvalent pour simuler la résection localisation de la tumeur avant et peropératoire, en temps réel NIRF-guidé tumeur, l'évaluation de l'état de la marge chirurgicale, et la détection de la maladie résiduelle. Les fantômes gélatineux ont des propriétés élastiques semblables au tissu humain et peuvent être coupés à l'aide de classiqueinstruments urgical. Au cours de la procédure chirurgicale simulé, le chirurgien est guidé par l'information tactile (dans le cas d'inclusions palpables) et l'inspection visuelle de la zone opératoire. En outre, l'imagerie NIRF est appliquée pour fournir au chirurgien un retour d'information en temps réel sur la mesure per-opératoire de chirurgie.
Il convient de souligner que l'imagerie NIRF nécessite l'utilisation de colorants fluorescents. Idéalement, les colorants fluorescents doivent être utilisés qui émettent des photons dans la plage spectrale de l'infrarouge proche (650-900 nm) afin de minimiser l'absorption et la diffusion des photons par des molécules physiologiquement abondantes dans les tissus (par exemple, l'hémoglobine, les lipides, l'élastine, le collagène, et de l'eau) 10,11. En outre, autofluorescence (c.-à-, l'activité de fluorescence intrinsèque dans les tissus en raison de réactions biochimiques dans les cellules vivantes) est minimisé dans le domaine du proche infrarouge du spectre, ce qui entraîne des ratios optimaux 11 tumeur à-fond. En conjuguant NIRF teint de tumeur targeted fragments (par exemple, des anticorps monoclonaux), l'administration ciblée de colorants fluorescents peuvent être obtenus pour des applications d'imagerie per-opératoires.
Comme l'oeil humain est insensible à la lumière dans la plage spectrale de l'infrarouge proche, un dispositif de caméra très sensible est nécessaire pour l'imagerie NIRF. Plusieurs systèmes d'imagerie NIRF pour l'utilisation peropératoire ont été développés jusqu'à présent 12. Dans la présente étude, nous avons utilisé une coutume construire NIRF système d'imagerie qui a été développé pour une application peropératoire en collaboration avec l'Université technique de Munich. Le système permet l'acquisition simultanée des images en couleurs et des images de fluorescence. Pour améliorer la précision des images de fluorescence, un système de correction est mis en œuvre pour des variations d'intensité de lumière dans le tissu. Une description détaillée est fournie par Themelis et al 13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous avons simulé des applications cliniques potentielles de BCS NIRF guidées par l'utilisation de fantômes en forme de sein avec des inclusions de tumeurs simulation intégrés. Localisation peropératoire de la tumeur, la résection de la tumeur NIRF guidée, l'évaluation de l'étendue de la chirurgie, et l'évaluation des marges chirurgicales post-opératoires ont été trouvées tout réalisable en utilisant un système de caméra NIRF construire sur mesure. Détection non invasive de la tumeur i…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by a grant from the Jan Kornelis de Cock foundation.
Materials
| Bovine hemoglobin | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | H2500 | Simulates absorption of photons in tissue |
| Intralipid 20% | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | I141 | Simulates scattering of photons in tissue |
| Silicone A translucent 40 (2-components poly-addition silicone) | NedForm, Geleen, The Netherlands | N/A | Package consists of components A and B, that should be mixed one on one (A:B=10:1). Link to manufacturers page: http://tinyurl.com/ncjq7jx |
| Gelatine 250 Bloom | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | 48724 | Construction of breast-shaped phantoms |
| Agarose | Hispanagar, Burgos, Spain | N/A | Construction of tumor-simulating inclusions |
| Tris | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | T1503 | |
| Hcl | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | 258148 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | S9888 | |
| NaH3 | Merck, Darmstadt, Germany | 822335 | CAUTION: severe poison. The toxicity of this compound is comparable to that of soluble alkali cyanides and the lethal dose for an adult human is about 0.7 grams. |
| Examples of NIRF imaging devices for intraoperative application: | |||
| T2 NIRF imaging platform | SurgVision BV, Heerenveen, The Netherlands | N/A | Customized NIRF imaging system used in the current study. More details available at www.surgvision.com |
| Photodynamic Eye | Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH, Herrsching am Ammersee, Germany | PC6100 | www.iht-ltd.com |
| FLARE imaging system kit | The FLARE Foundation Inc, Wayland, MA, USA | N/A | www.theflarefoundation.org |
| Fluobeam | Fluoptics, Grenoble, France | N/A | www.fluoptics.com |
| Artemis handheld camera | Quest Medical Imaging BV, Middenmeer, the Netherlands | N/A | www.quest-mi.com |
| Examples of NIRF fluorescent dyes for intraoperative application: | |||
| Indocyanine green | ICG-PULSION, Feldkirchen, Germany | PICG0025DE | Clinical grade fluorescent dye for NIRF imaging used in the current study. More details available at www.pulsion.com |
| IRDye 800CW NHS Ester | LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA | 929-70021 | www.licor.com |
Referencias
- Bellon, J. R., et al. ACR Appropriateness Criteria® Conservative Surgery and Radiation – Stage I and II Breast Carcinoma. The Breast Journal. 17 (5), 448-455 (2011).
- Kaufmann, M., Morrow, M., Von Minckwitz, G., Harris, J. R. The Biedenkopf Expert Panel Members. Locoregional treatment of primary breast cancer. Cancer. 116, 1184-1191 (2010).
- Pleijhuis, R. G., et al. Obtaining adequate surgical margins in breast-conserving therapy for patients with early-stage breast cancer: current modalities and future directions. The Annals of Surgical Oncology. 16, 2717-2730 (2009).
- Singletary, S. E. Surgical margins in patients with early-stage breast cancer treated with breast conservation therapy. American Journal of Surgery. 184 (5), 383-393 (2002).
- Jacobs, L. Positive margins: the challenge continues for breast surgeons. Annals of Surgical Oncology. 15 (5), 1271-1272 (2008).
- Krekel, N., et al. Excessive resections in breast-conserving surgery a retrospective multicentre study. The Breast Journal. 17 (6), 602-609 (2011).
- Wood, W. C. Close/positive margins after breast-conserving therapy: additional resection or no resection?. Breast. 22, 115-117 (2013).
- Van Dam, G. M., et al. Intraoperative tumor-specific fluorescence imaging in ovarian cancer by folate receptor-α targeting: first in-human results. Nature Medicine. 17 (10), 1315-1319 (2011).
- Pleijhuis, R. G., et al. Near-infrared fluorescence (NIRF) imaging in breast-conserving surgery: assessing intraoperative techniques in tissue-simulating breast phantoms. European Journal of Surgical Oncology. 37 (1), 32-39 (2011).
- Baeten, J., Niedre, M., Dunham, J., Ntziachristos, V. Development of fluorescent materials for Diffuse Fluorescence Tomography standards and phantoms. Optics Express. 15 (14), 8681-8694 (2007).
- Luker, G. D., Luker, K. E. Optical imaging: current applications and future directions. Journal of Nuclear Medicine. 49 (1), 1-4 (2007).
- Keereweer, S., et al. Optical image-guided surgery – Where do we stand?. Molecular Imaging Biology. 13 (2), 199-207 (2011).
- Themelis, G., Yoo, J. S., Soh, K. S., Shulz, R., Ntziachristos, V. Real-time intraoperative fluorescence imaging system using light-absorption correction. Journal of Biomedical Optics. 14 (6), 064012 (2009).
- Themelis, G., et al. Enhancing surgical vision by using real-time imaging of αvβ3-integrin targeted near-infrared fluorescent agent. Annals of Surgical Oncology. 18 (12), 3506-3513 (2011).
- De Grand, A. M., et al. Tissue-like phantoms for near-infrared fluorescence imaging system assessment and the training of surgeons. Journal of Biomedical Optics. 11 (1), 014007 (2006).
- Intes, X. Time-domain optical mammography SoftScan: initial results. Academic Radiology. 12 (10), 934-947 (2005).
- Kirsch, D. G., et al. A spatially and temporally restricted mouse model of soft tissue sarcoma. Nature Medicine. 13 (8), 992-997 (2007).
- Tafreshi, N. K., et al. Noninvasive detection of breast cancer lymph node metastasis using carbonic anhydrases IX and XII targeted imaging probes. Clinical Cancer Research. 18 (1), 207-219 (2012).
- Nguyen, Q. T., Tsien, R. Y. Fluorescence-guided surgery with live molecular navigation – a new cutting edge. Nature Reviews Cancer. 13 (9), 653-662 (2013).
- Orosco, R. K., Tsien, R. Y., Nguyen, Q. T. Fluorescence imaging in surgery. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 178-187 (2013).
